JP4259070B2

JP4259070B2 - 生分解性繊維の製造方法

Info

Publication number: JP4259070B2
Application number: JP2002246500A
Authority: JP
Inventors: 泰義堀口; 伸幸高野
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2022-08-27
Also published as: JP2004084118A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生分解性繊維の製造方法に関するものである。
【０００２】
さらに詳しくは、熱可塑性樹脂を加熱溶融以前もしくは溶融しながら水分を添加して溶融ポリマーの水分率を調整し、ひいては紡糸される溶融ポリマーの粘度を調整することによって効率的に所望の通りに繊維径を変更することを可能とする生分解性繊維の製造方法に関するものである。
【０００３】
特に、本発明の該生分解性繊維の製造方法は、構成繊維として生分解性繊維を用いた生分解性の不織布を製造するに際して、不織布として要望される各種の機械的・物理的特性に対応して、各種の繊維径を有する生分解性不織布を自在に製造するのに有効に用いることのできる方法である。
【０００４】
【従来の技術】
スパンボンド不織布あるいはメルトブロー不織布などに代表される長繊維不織布は、土木資材、生活資材、医療衛生材料などの用途分野でその伸びは著しい。
【０００５】
中でもポリプロピレン繊維からなる不織布あるいはポリエステル繊維からなる不織布は多く使用されているが、一般にこれらの不織布は自己分解機能がなく、土中に埋め立てたとしても腐食せず、使用済みの該不織布製品は焼却処理あるいは埋め立て処理に供されることが一般的であった。
【０００６】
しかし、これらの処理に供したとしても処理費用が高いばかりでなく、いずれも自然環境を破壊することにつながる等の問題を含むものであった。
【０００７】
かかる問題を改善せんとして、例えば、自然分解性を有する樹脂を用いた、いわゆる生分解性繊維とその応用技術の開発・検討が盛んに行われている。例えば、特開平１０−４６４６３号公報や、特開平０９−９５８５１号公報には、不織布の製造に生分解性繊維を使用することについての発明が記載されている。
【０００８】
微生物分解性を有する重合体として、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレート、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、ポリエーテルアミド、ポリビニールアルコールなどがあるが、これら重合体からスパンボンドあるいはメルトブローなどによる溶融紡糸法による長繊維不織布の製造は、それぞれポリマーの特性により異なるが、融点あるいは結晶化速度、熱分解性など多くの制約があり、溶融紡糸可能な範囲は極めて狭く困難なものであった。
【０００９】
すなわち、ポリプロピレンあるいはポリエチレンテレフタレート樹脂のように紡糸する際の熱分解性に対して比較的安定であるポリマーでは、同一原料であっても細繊度化に際しては曳糸性を向上させるため、紡糸時の溶融温度を高くすることで溶融粘度を調整することが可能となる。特に、メルトブロー不織布を製造するに際しては、紡糸温度を変更し、溶融時の粘度を変更することにより、繊維径は１μｍから１５μｍ程度までの変更が可能である。
【００１０】
しかし、前述したように、例えば生分解性樹脂がポリ乳酸である場合、紡糸温度が２５０℃以上であるときには、ポリマーの熱分解が急速に進み、分解ガスが発生するなどの現象が発生し、このために紡糸温度を調整することにより繊維径を変更できる範囲は極めて狭く困難である。このため、使用した原料ポリマー特性によって紡糸可能な繊維径フィラメント特性などが決まってしまうなど、調整可能な範囲は極めて狭く、また繊維径を変更するなど、多品種少量生産に対応するためには分子量の異なる原料が必要となり、コスト的にも高く生産化に値するものでなかった。
【００１１】
また、溶融粘度を低下させるためポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネート、あるいはポリエチレンサクシネートのような脂肪族ポリエステルポリマーを可塑剤として用いることもできるが、添加する工程が増加するという問題もあり実際的ではない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、かかる生分解性樹脂のもつ紡糸上の制約を解決し、同一原料でも紡糸時の粘度調整を可能とすべく鋭意検討した結果、本発明に到達したものであり、本発明の目的は、生分解性樹脂の紡糸上の制約を減少させ、同一原料でも細デニールから太デニールまで幅広い繊維径をもつ多品種の繊維および不織布製造を可能とする生分解性繊維の製造方法と不織布の製造方法を実現せんとするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の生分解性繊維の製造方法は、以下の構成からなる。
【００１４】
すなわち、熱可塑性を有する脂肪族ポリエステルからなる樹脂を加熱溶融紡糸するに際し、加熱溶融以前にもしくは溶融しながら水分を添加して溶融ポリマー中の水分率を３００ｐｐｍ〜２５００ｐｐｍの範囲内に調整して紡糸することを特徴とする生分解性繊維の製造方法である。
【００１５】
また、かかる本発明の生分解性繊維の製造方法において、好ましくは、原料の水分率を５０ｐｐｍ以下にした後に水を付与して、溶融ポリマー中の水分率を３００ｐｐｍ〜２５００ｐｐｍの範囲内に調整するものである。また、前記樹脂の溶融を、溶融温度が（樹脂の融点）℃〜（融点＋８０）℃の温度範囲内で行なうものである。
【００１６】
また、本発明の生分解性繊維からなる不織布の製造方法は、スパンボンド法またはメルトブロー法によって不織布を製造するに際して、上記した本発明の生分解性繊維の製造方法を用いて製糸して不織布を製造することを特徴するものである。
【００１７】
また、本発明の方法において、好ましくは、生分解性繊維が、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレート、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネートの群から選ばれた少なくとも１種のポリマーからなるものであることを特徴とする生分解性繊維もしくは不織布の製造方法とするのが好ましいものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明の熱可塑性を有する生分解性繊維の製造方法について説明をする。
【００１９】
本発明の生分解性繊維の製造方法は、生分解樹脂を加熱溶融紡糸する際に、加熱溶融以前に、もしくは溶融しながら水分を添加することにより、溶融ポリマー中の水分率を調整し、そのことによって溶融粘度を調整し、種々の繊維径をもつ生分解性繊維を容易に製造することができるようにしたものである。
【００２０】
本発明に用いる生分解ポリマーとしてはポリ乳酸が最適である。ポリ乳酸としては好ましくはＬ−乳酸を主成分とするポリエステルがよい。ここで、Ｌ−乳酸を主成分とするとは、構成成分の６０重量％以上がＬ−乳酸からなることを意味し、残りは４０重量％以上を超えない範囲でＤ−乳酸を含有するポリエステルであって差し支えないということである。
【００２１】
生分解性繊維を製造する際の溶融温度は、例えば融点が１７０℃であるポリ乳酸である場合、樹脂の融点以上、（樹脂の融点＋８０℃）以下の範囲内とするのが好ましく、より好ましくは融点以上、（樹脂の融点＋２０〜７０℃）以下までであることがよい。融点より８０℃高い温度よりも高い温度で溶融した場合、樹脂の熱分解が激しく分解ガスが発生するなど紡糸が難しくなる。
【００２２】
ポリ乳酸の製造方法には、乳酸を原料として、いったん環状二量体であるラクテドを生成せしめ、その後、開環重合を行うようにする二段階ラクテド法と、乳酸を原料として溶媒中で直接脱水縮合を行う一段階の直接重合法とが知られている。本発明で用いるポリ乳酸はいずれの方法で得たものでもよい。
【００２３】
ラクテド法によって得たポリマーの場合には、ポリマー中に含有される環状二量体が溶融紡糸時に気化して糸班の原因になるため、溶融紡糸以前の段階でポリマー中に含有される環状二量体の含有量を０．１重量％以下にすることが望ましい。また、直接重合法の場合には、環状二量体に起因する問題が実質的にないため製糸性の観点からより好適である。
【００２４】
フィラメントあるいはスパンボンド法による長繊維フィラメントあるいはステープル用生分解繊維に用いる場合、重量平均分子量として１０万〜３０万であるものが良く、より好ましくは１０万〜２０万のものが良い。重量平均分子量が３０万以上のポリマーを用い、通常の溶融紡糸と同様に、原料中の水分率が５０ｐｐｍ以下となるまで乾燥使用した場合、紡糸温度が２３５℃では溶融時の粘度が高く、曳糸性が乏しいため安定した紡糸が困難である。また、溶融粘度を低下させるべく紡糸温度を融点＋８０℃以上までアップさせると、熱分解が激しくなり気泡切れが増加するなどこれも安定紡糸が不可能となる。
【００２５】
また、重量平均分子量が１０万よりも少ない原料を用いると、繊維の強度が低くなり十分な特性をもったものが得られないという問題がある。
【００２６】
特に、重量平均分子量が高い原料を用い、溶融時の樹脂水分率が５０ｐｐｍ以下である場合、１５００ｍ／分以上の高速紡糸が困難となる。また、重量平均分子量が１０万〜３０万の原料であって、紡糸性、品質の点から生分解性繊維を製造する上で生産可能な範囲であっても、熱分解とのかねあいから紡糸温度の上限に制約があるため重量平均分子量の高い原料を用いた場合は、曳糸性の点からフィラメントの繊度を太くせざるを得ず、細繊度のフィラメントを紡糸するには原料の重量平均分子量の低いものを使用する必要があった。
【００２７】
しかし、本発明の製造方法を採用することにより、容易に同一原料であっても種々の繊維径をもったフィラメントを製造することが可能となる。
【００２８】
メルトブロー不織布についても同様であり、メルトブロー不織布に用いる場合のポリ乳酸は、重量平均分子量として２０万以下、より好ましくは５万〜１５万の範囲であるものが良く、更に好ましくは６万〜１３万であることが良い。重量平均分子量が１５万よりも大きいと、ポリ乳酸を溶融する際の熱分解との関係から溶融温度を２５０℃以下とする必要があり、溶融温度が高くなると紡糸性が不良となりポリマーの固まりであるショットが多発する。
【００２９】
しかし、本発明を採用することで同一原料であっても容易に繊維径の異なったメルトブロー不織布を製造することができる。
【００３０】
水分率の調整は、加熱溶融以前にもしくは溶融しながら水分を添加することにより行うことが重要である。
【００３１】
本発明方法を採用するに当たっては、乾燥工程で原料中の水分を除去するとともに原料を結晶化させたものを使用することが好ましい。すなわち、ポリ乳酸樹脂の場合、バキュームドライヤーで乾燥温度９０〜１１０℃で乾燥し、水分率が５０ｐｐｍ以下となるように原料を乾燥した後、再度、目標水分率が得られるに必要な水を付与撹拌することで乾燥後の水分レベルを容易に調整することができる。
【００３２】
また、原料チップを５０ｐｐｍ以下のレベルまで乾燥し、エクストルーダーで溶融する直前に水蒸気を付与、またベントエクストルーダーではベント口から逆に水を付与することも可能であり、目標水分率に調整した後、溶融することで粘度調整することも可能である。目標とする水分率は使用する原料及び目標とする繊維径によっても異なるが、１００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍが好ましく、より好ましくは２００ｐｐｍ〜３０００ｐｐｍである。
【００３３】
すなわち、具体的には、水分の添加を、好ましくは、原料樹脂の乾燥時または乾燥後の加熱溶融開始の直前時に行ない、溶融時の溶融ポリマー中の水分率を１００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍの範囲内にして行なうことである。
【００３４】
水分率が１００ｐｐｍ未満である場合、水分率が低すぎるために水分調整が極めて困難であり、溶融後の粘度ばらつきも大きくなる。また、水分率が５０００ｐｐｍよりも高い場合、分解が激しく紡糸糸切れが多発するなどにより操業性が悪化する問題がある。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例により本発明の詳細を説明するが、実施例で使用した各特性値は次の測定方法によって求めたものである。
（１）原料水分率（ｐｐｍ）：
カールフィッシャ水分計を用い、水分気化装置の炉内温度を１５０℃とし、カールフィッシャ滴定装置のスイッチを入れ、空気１００ｍｌ／分を通気してブランク測定を行う。
【００３６】
さらに気化装置のサンプル投入口にチップ試料５ｇを投入して滴定する。滴定終了後、ボードを取り出しデシケーター中で冷却した後、試料量を直示天秤で秤量する。原料水分率（ｐｐｍ）は、以下により算出するものである。
【００３７】
水分（ｐｐｍ）＝Ｔ／Ｓ
Ｔ：試料中の水分量（マイクログラム）
Ｓ：水分気化後の試料量（ｇ）
（２）繊維径（μｍ）：
不織布からランダムに５個のサンプルを採取し、シートの表面を走査型電子顕微鏡を用い、メルトブロー不織布の場合１０００〜３０００倍に、スパンポンド不織布の場合２００〜３００倍に拡大し、それぞれ２０本、合計１００本の繊維径を測定し、その平均値を不織布の繊維径とした。
（３）紡糸性：
スパンボンド不織布の紡糸設備、あるいはメルトブロー不織布の紡糸設備を用い、紡糸した際に、紡糸状況を見て、次の三段階の評価をした。
【００３８】
○：単糸切れが全くなく、また得られたシートにも欠点の発生が全く認められず優れた紡糸性を有すると判断されたもの。
【００３９】
△：単糸切れは時々あるが、製品として使用できる程度の欠点であると判断されたもの。
【００４０】
×：単糸切れが多く、シート中への欠点混入も多くあり、製品としての使用価値がないと判断されたもの。
実施例１〜４
重量平均分子量が２０万、数平均分子量が１０万であるポリ乳酸チップを温度１００℃の真空乾燥機で２４時間乾燥し、水分率が３０ｐｐｍである乾燥チップを得た。引き続き同設備を用い、乾燥機中に水を添加し十分にブレンドし、水分率が２５００ｐｐｍである原料を得た。前記と同様の方法で原料を乾燥した後、乾燥チップへの水の添加量を変更し、水分率が２１００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ、３００ｐｐｍの原料を作成した。この原料を用いて口金孔数が１００孔／ｍのメルトブロー不織布の製造設備により、エクストルーダーの溶融温度を２２０℃、紡糸温度２３０℃、吐出量３５０ｇ／分、熱風温度２６０℃、熱風圧力０．０８Ｍｐａで紡糸してネットコンベアー上に捕集し、目付が４０ｇ／ｍ²であるシートを得た。
【００４１】
それぞれの水準の紡糸性と得られたシートの繊維径を測定したところ、表１に示した通り、紡糸性、品位とも良好であり、同一原料によって繊維径が容易に変更可能なことが確認できた。
【００４２】
【表１】

【００４３】
比較例１
実施例１と同様の原料を用い、温度１００℃で２４時間乾燥し水分率が２０ｐｐｍである乾燥チップを得た。
【００４４】
この原料を用いて口金孔数が１０００孔／ｍであるメルトブロー不織布の製造設備を用い、エクストルーダーの溶融温度を２２０℃、紡糸温度２３０℃、吐出量３５０ｇ／分、熱風温度２６０℃、熱風圧力０．０８Ｍｐａで紡糸し、ネットコンベアー上に捕集し、目付が４０ｇ／ｍ²であるシートを得た。
【００４５】
得られたシートの繊維径は８μｍであった。
【００４６】
引き続き、繊維径を変更すべくエクストルーダー溶融温度を２６０℃、紡糸温度２６０℃、吐出量３５０ｇ／分、熱風温度２９５℃、熱風圧力０．０８Ｍｐａで紡糸しネット上に捕集し、目付が４０ｇ／ｍ²であるシートを得た。得られたシートの繊維径は２．３μｍであったが、ポリマーの熱分解に起因し、ショットと呼ばれるポリマー状の固まりが多数見られ、製品として満足できるものでなかった。また紡糸性についても良くなく、安定した紡糸はできないと判断されるものであった。
実施例５
実施例１と同様の原料を用い、温度１００℃で２４時間乾燥し、水分率が２０ｐｐｍである乾燥チップを得た。
【００４７】
得られたチップを用いエクスルーダーフィード部直上に設けた加湿装置により溶融直前のチップ水分率が２０００ｐｐｍ及び１０００ｐｐｍになるように調整して、それぞれエクストルーダー溶融温度２２０℃、紡糸温度２３０℃、吐出量３５０ｇ／分、熱風温度２６０℃、熱風圧力０．０８Ｍｐａで紡糸してネット上に捕集し、目付が４０ｇ／ｍ²のシートを得た。
【００４８】
いずれの水分率のものとも紡糸性は良好であり、得られたシートの平均繊維径は水分率２０００ｐｐｍのもので２μｍ、１０００ｐｐｍのもので４．５μｍであり、供給チップの水分率を簡単に調整することで紡糸性を損ねることなく、繊維径の変更が容易に調整可能であことが確認できた。
【００４９】
【発明の効果】

Claims

熱可塑性を有する脂肪族ポリエステルからなる樹脂を加熱溶融紡糸するに際し、加熱溶融以前にもしくは溶融しながら水分を添加して溶融ポリマー中の水分率を３００ｐｐｍ〜２５００ｐｐｍの範囲内に調整して紡糸することを特徴とする生分解性繊維からなる不織布の製造方法。
原料の水分率を５０ｐｐｍ以下にした後に水を付与して、溶融ポリマー中の水分率を３００ｐｐｍ〜２５００ｐｐｍの範囲内に調整することを特徴とする請求項１記載の生分解性繊維からなる不織布の製造方法。
前記樹脂の溶融を、溶融温度が（樹脂の融点）℃〜（融点＋８０）℃の温度範囲内で行なうものであることを特徴とする請求項１に記載の生分解性繊維からなる不織布の製造方法。
生分解性繊維が、ポリ乳酸、ポリヒドロキシブチレート、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリブチレンサクシネートの群から選ばれた少なくとも１種のポリマーからなるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の生分解性繊維からなる不織布の製造方法。
スパンボンド法またはメルトブロー法によって製造することを特徴する請求項１〜４のいずれかに記載の生分解性繊維からなる不織布の製造方法。